堆石壩粉煤灰混凝土面板耐久性研究

謝 濤，曾秀娟

(贛州市水利電力勘測設計研究院，江西 贛州 341000)

1 概述

混凝土面板堆石壩是黏土心墻堆石壩的一種，其建造成本低。近年來，混凝土面板堆石壩已經在世界上的建成多座壩體。與普通混凝土相比，堆石壩面板混凝土由于其快速的生產技術、良好的耐久性和低成本而被廣泛選用[1]。此外，大量輔助膠凝材料的(粉煤灰、高爐礦渣等)高效利用率也是其快速推廣的重要方面，粉煤灰等礦物摻合料不僅可以實現廢料的循環使用、保護環境，對混凝土性能的提升也表現出優良的效果。

粉煤灰在混凝土中的廣泛應用，提高了混凝土的坍落度，改善了混凝土的施工和易性，對降低大體積混凝土的水化熱有積極作用。粉煤灰還具有緩凝特性，這在混凝土壩應用中尤為重要[2]。粉煤灰對混凝土材料的力學性能和耐久性的優良效果已有大量研究報道，研究指出粉煤灰除具有物理填充作用外，還與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應，促進生成大量水化產物，使得水泥基體密實性提升。侯海龍等人[3]研究了用粉煤灰部分替代水泥對大壩混凝土的抗壓、抗拉和抗剪強度的影響，研究表明大壩混凝土中粉煤灰摻量的增加對其抗壓強度產生不利影響；此外，延遲澆筑時間和粉煤灰替代水平，可以增加混凝土內部漿體和骨料間界面的良好接觸，混凝土堆石壩建設中，冷縫對混凝土抗拉強度的影響大于其抗剪強度[4-5]。楊忠波等[6]研究表明混凝土試樣表現出較低的劈裂抗拉強度和較高的滲透性，與混凝土和漿體間界面的硬化過程有關。

關于粉煤灰與堆石壩混凝土性能間的關系研究仍存在許多問題，因此本文針對粉煤灰在混凝土中的應用，通過混凝土力學性能實驗及耐久性試驗，分析了堆石壩混凝土滲透性、摩擦性及抗凍性等方面的變化規律。獲得了粉煤灰與混凝土耐久性能的定量關系，為粉煤灰在堆石壩混凝土中的應用提供了科學及技術支撐。

2 實驗研究

2.1 實驗原材料

實驗采用普硅酸鹽水泥，型號為42.5，比重為3.15，細度為2900cm2/g，水泥詳細參數見表1。

表1 水泥物理化學性能

細骨料為河沙，粗骨料為碎石；粉煤灰為一級灰，減水劑為聚羧酸高效減水劑；實驗用混凝土配合比見表2。

表2 大壩混凝土配合比

2.2 測試方法及過程

2.2.1 抗壓強度試驗

按照我國現行標準JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，制作不同摻量粉煤灰混凝土試件，時間尺寸為100mm×100mm×100mm，試件養護至測試齡期(7、28、91d)，進行了抗壓強度試驗。

2.2.2 干燥收縮試驗

本文采用環約束收縮試驗法研究粉煤灰摻量對混凝土干縮性能的影響，混凝土收縮過程中，使用混凝土熱量計，并在試件成型后30min開始，每1h測量試件放熱量。圓環測試裝置及應變片安裝位置如圖1所示。根據測定的放熱量估算混凝土水化熱引起的內部溫度，并分析粉煤灰對混凝土絕熱溫升的影響。

圖1 圓環測試裝置及應變片安裝位置示意圖(單位：mm)

2.2.3 氯離子滲透

氯離子滲透實驗采用快速氯離子滲透儀測定，具體測試設備及流程如圖2所示。

圖2 氯離子快速滲透試驗示意圖

2.2.4 耐磨性

本試驗對不同粉煤灰摻量混凝土進行了磨損實驗，評價粉煤灰在混凝土中的耐磨性能。修整車輪的轉速為每分鐘56轉，在暴露磨料30和60min后測量磨損深度。

3 實驗結果分析與討論

3.1 抗壓強度試驗

混凝土試件養護至規定實驗齡期后測試其抗壓強度，測試結果如圖3所示。

圖3 不同粉煤灰摻量混凝土抗壓強度試驗

由圖3可以看出，養護齡期為7d時，摻入10%粉煤灰，混凝土試件較普通試件增加12.5%，粉煤灰摻量超過15%會對混凝土試件的抗壓強度產生不利影響，導致其強度降低；養護齡期為28d時，摻入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗壓強度，20%粉煤灰仍會降低混凝土抗壓強度。養護至90d時，不同摻量(10%、15%、20%)粉煤灰摻入混凝土中可提升混凝土抗壓強度，其中粉煤灰摻量為10%時，對混凝土抗壓強度的改善效果最顯著，較普通混凝土抗壓強度提升38.65%。

3.2 混凝土干縮行為

不同粉煤灰摻量下混凝土干縮應變如圖4所示。

圖4 不同粉煤灰混凝土干燥收縮應變變化規律

由圖4可以看出，隨著測試齡期的延長，混凝土收縮應變逐漸增加，說明粉煤灰的摻入，導致混凝土內部濕度降低，無法滿足水泥混凝土的水化反應。測試齡期小于10d時，摻粉煤灰混凝土干縮應變較大，10～20d時，粉煤灰摻量為10%的混凝土收縮應變最小。測試齡期超過40d后，3種摻量粉煤灰完全參與了水泥水化反應，導致混凝土強度增加，孔隙溶液水分降低，干縮增大。粉煤灰摻量超過15%時，混凝土的干縮過程顯著增大，收縮應變急速增長，粉煤灰摻量為10%時，混凝土的干縮應變與普通混凝土呈現相似增長規律，收縮應變較普通混凝土略有增加。

3.3 混凝土絕熱溫升

圖5—6分別給出了不同摻量粉煤灰對混凝土水化放熱及水化速率的影響。

圖5 不同粉煤灰替代品的絕熱溫升

由圖5可以看出，粉煤灰摻入混凝土后對其內部的溫度影響較小，但均降低了水化過程中的放熱量，其中粉煤灰摻量為10%時，水化放熱量較普通混凝土降低7.85%。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土放熱降低趨勢減弱。由圖6可以看出，粉煤灰降低了水泥水化反應速率，粉煤灰摻量越大，反應速率降低程度越明顯。上述結果表明，粉煤灰的摻入，可以降低水化放熱量，主要是由于粉煤灰的二次水化效應，使得分粉煤灰在混凝土硬化后期產生活性，活性逐漸增大。這將導致水泥水化前期的放熱量不足。粉煤灰摻量增大后，混凝土內部有充足的粉煤灰顆粒參與反應，將導致混凝土內部放熱逐漸增大。

圖6 不同替代量粉煤灰的反應速率

3.4 混凝土氯離子滲透性

利用快速氯離子擴散系數測定儀，測量不同粉煤灰摻量混凝土內部電荷通過量，測試結果如圖7所示。

圖7 不同粉煤灰摻量混凝土內部電荷量

由圖7可以看出，隨著粉煤灰摻入，混凝土內部電荷量呈現先減小后增加的趨勢；養護齡期越長，混凝土內部電荷量越少。其中粉煤灰摻量為15%時，養護28和91d的混凝土試件內部電荷量較普通混凝土試件減小87.65%和49.58%。上述結果表明，摻入粉煤灰可以增加混凝土內部的密實性，降低混凝土內部的孔隙溶液中的離子通路。

3.5 混凝土耐磨性

不同粉煤灰摻量混凝土磨耗深度測試結果如圖8所示。

圖8 不同粉煤灰混凝土磨損深度變化

由圖8可以看出，粉煤灰摻量越大，耐磨性越好。在30min的磨損時間內，摻10%粉煤灰混凝土試樣的抗磨耗性能是普通混凝土的2倍，是摻15%粉煤灰混凝土試樣的3.3倍，是摻20%粉煤灰混凝土的3.6倍。在1h磨損時間內，摻10%粉煤灰置換的試樣比普通混凝土的試樣高1.3倍，比摻15%粉煤灰混凝土試樣高2.8倍，比摻20%粉煤灰混凝土試樣高4.3倍。而摻15%粉煤灰混凝土與摻20%粉煤灰混凝土相比，30min的磨損量基本相同，1h后磨損量基本沒有變化，但91d齡期時，摻15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨損量增加較摻20%粉煤灰混凝土高。這說明，在混凝土中加入粉煤灰時，可以提升混凝土的硬度，能夠抵抗較高的磨耗過程。

3.6 混凝土耐水性

混凝土在水中浸泡前后抗壓強度的比值結果如圖9所示。

圖9 不同粉煤灰摻量混凝土平均抗壓強度比

由圖9可以看出，隨著粉煤灰的摻入，混凝土飽水后的抗壓強度呈現下降趨勢。養護28d時，混凝土內部粉煤灰未充分水化，導致混凝土強度隨粉煤灰產量的增加呈現先增加后減小的趨勢。其中摻10%粉煤灰混凝土抗壓強度比值較普通混凝土提高23.58%。這主要是因為粉煤灰摻量較小時，混凝土內部水泥水化較充分，導致混凝土強度增長幅度較大，在飽水狀態下，混凝土強度不易降低。養護至91d時，混凝土飽水后抗壓強度與干燥狀態抗壓強度的比值隨粉煤灰摻量增加逐漸降低；養護后期，粉煤灰參與水化反應較充分，硬化混凝土強度基本形成[7-8]。

4 結論

本文采用不同摻量粉煤灰分析了，面板混凝土的力學性能及耐久性變化規律，得到以下結論。

(1)養護齡期為7d時，摻入10%粉煤灰，混凝土試件較普通試件增加12.5%；養護齡期為28d時，摻入10%、15%粉煤灰可以提升混凝土抗壓強度。養護至90d，粉煤灰摻量為10%時，對混凝土抗壓強度的改善效果最顯著，較普通混凝土抗壓強度提升38.65%。摻10%粉煤灰混凝土抗壓強度比值較普通混凝土提高23.58%，提高了混凝土耐水性。

(2)10～20d時，粉煤灰摻量為10%的混凝土收縮應變最小；粉煤灰摻量為10%時，水化放熱量較普通混凝土降低7.85%

(3)粉煤灰摻量為15%時，養護28和91d的混凝土試件內部電荷量較普通混凝土試件減小87.65%和49.58%。91d齡期時，摻15%粉煤灰混凝土的耐磨性能最好，其磨損量較摻20%粉煤灰混凝土降低。

(4)通過本文研究，適用于堆石壩面板混凝土的粉煤灰摻量文15%，其綜合性能較其它粉煤灰混凝土顯著提升。